基于场-网络耦合模型建筑内区会议室CO2分析

王 雷, 王砚玲, 王 芳, 王海燕

(1.哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江哈尔滨150090;2.哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)

1 概述

目前,国内外现行室内空气质量标准将CO2作为重点控制污染物,其含量已成为评价室内空气质量的重要指标[1]。Shendell等人通过研究指出教室空气中CO2等含量过高对学生完成作业效果、学习效率有明显的抑制作用,室内CO2体积分数超过标准限值会导致学生注意力下降[2]。现有CO2研究中主要针对某种类型建筑中特定房间的CO2体积分数变化,没有考虑建筑中其他参数变化对CO2体积分数变化的影响。

场模型是分析室内空气流动对污染物扩散作用的常用方法,对复杂建筑整体进行场模型计算分析,存在网格划分复杂、计算时间长的限制,场模型并不适用。较合理的研究方法是采用多区域网络模型CONTAM[3],并对特定区域进行CFD建模并分析。为此,Wang等人[4]用CFD0-CONTAM耦合模型(简称耦合模型)对建筑中空气流动进行了分析,其中CFD0是一种CFD程序,最初由Srebric等人[5]开发,由Wang[6]改进。Barbosa等人[7]应用耦合模型在实验室和医院进行了污染物扩散分析。张旭涛等人[8]应用耦合模型对高层建筑火灾中电梯竖井烟气流动特性进行了研究。文献[7-8]都体现出耦合模型具有一定可靠度和优越性。

本研究中考虑复杂建筑中空气流动对某内区会议室CO2体积分数变化的影响情况,该会议室无与室外相连的外窗。此会议室会存在短时间内大量人员聚集导致室内人员因高CO2体积分数而效率降低的情况,通风效果较差,人员长期处于高CO2体积分数的场所,健康会遭受累积性的损害,故有必要对此问题进行研究。因此,本文采用CFD0-CONTAM耦合模型(场-网络耦合模型)对哈尔滨某综合建筑进行空气流动分析,并以建筑3层某内区会议室为例,对空气流动和CO2体积分数分布进行分析。

2 建筑模型

本研究中的综合办公楼位于哈尔滨市,共5层,总建筑面积为10 600 m2,层高为3 m,包含一个3层高的中庭。运用CONTAM对整体建筑进行建模,建筑内各房间门窗等开关状态均考虑,建筑第3层平面见图1,呈“T”形。本文研究关注的对象是位于建筑第3层的会议室,会议室建模见图2,该会议室紧邻中庭,无与室外相通的外窗,会议室不使用时门窗均保持关闭状态,并考虑建筑物其他房间门窗对研究对象的影响。会议室体积为90 m3,长、宽分别为10 m、3 m,高3 m,会议室门窗各2个。门的中心点坐标分别为(1.25 m,0 m,1 m)和(8.75 m,0 m,1 m);窗的中心点坐标分别为(1.25 m,3 m,1.5 m)和(8.75 m,3 m,1.5 m)。

图1 建筑第3层平面(软件截图)

图2 会议室建模

门窗采用了CONTAM内的泄漏面积模型和孔口模型,楼梯等选取相应模型。由于我国关于墙体泄漏特性的数据较少,而且建筑墙体具有较强的密封性,故本研究忽略墙体泄漏。参照相关文献和实测研究,空气流通路径泄漏特征值见表1。门窗开启时,有效泄漏面积等于门窗的实际面积。整个建筑物中的窗户尺寸均相同。

表1 空气流通路径泄漏特征值

内区会议室不与室外相通,易存在开会时室内CO2体积分数超过标准限值(1 000×10-6)的情况,耦合模型将其定义为CFD区域,采用湍流零方程模型进行计算,网格数为9×104,网格已经进行无关性验证,无需进一步细化。内区空气流通路径采用的模型设置同建筑物其他房间。

本研究选择CONTAM为CFD0提供压力边界条件的耦合方法,因为该耦合方法提供了稳定收敛的耦合解[7]。选择均质多组分流动模型进行污染物扩散预测[7]。在连接CFD0和CONTAM中气流路径形成的边界上进行信息传递,信息传递内容包括流量、压差和污染物体积分数,Wang等人[9]详细描述了耦合过程。CFD0-CONTAM耦合收敛因子设置为0.001。

3 CFD0-CONTAM耦合下会议室CO2分析

3.1 会议室空气流动及CO2体积分数模拟分析

8:00—9:00在会议室举行时间为1 h的会议,共20人参会,会议期间门窗保持关闭状态,在会议结束后,人员离开,将会议室门窗开启30 min,至此本次研究结束。对于每个参会者,按实际会议室的位置进行建模,将人理想化成为一个正六面体,即散发CO2的污染源,六面体边长均为0.1 m。图2 中参会者(正六面体)的中心均在z=1.05 m 平面上,构成一个长方形。长方形的长边上,相邻参会者中心距0.6 m,长方形的短边上,相邻参会者中心距0.55 m。CO2的产生速率为0.005 2 L/s[10],由六面体的6个面均匀向外释放。模拟时考虑了热压和风压的共同作用。在过渡季,室外温度为3 ℃,风向为SE,风速为3 m/s,大气压为101 325 Pa,会议室室内温度为18 ℃。初始室外环境CO2体积分数、室内CO2体积分数取400×10-6。室内外温度在模拟期间保持不变。

过渡季会议室空气速度矢量图见图3,图中红点为坐标原点。在过渡季,在x=8.55 m截面(该截面体现会议室的门和窗),室内空气流动的方向从窗户流向门;在y=2.05 m截面(该截面体现CO2污染源),在参会者附近,空气流速小;在z=1.05 m截面(该截面也体现CO2污染源),可以看到2个旋涡,x=0～5 m,空气旋涡呈逆时针,x=5～10 m,空气旋涡呈顺时针,空气流动呈对称分布,是由于2个门窗物理参数和压强相同导致的。

图3 过渡季会议室空气速度矢量图(软件截图)

3.2 实测与模拟对比

为了验证CFD0-CONTAM耦合模拟的有效性,对会议室在上述模拟工况进行了现场实测,实测期间20个参会者,会议期间人员静坐,有小声交谈情况。选用的实测仪器为室内温湿度及CO2体积分数监测仪。

对于CO2的实测点布置,结合本地区实际因素和实验条件,保证数据准确且具有代表性的条件下,选取3个实测点。实测点A位于房间水平面中心桌子上,距地面1.05 m,实测点B位于会议室墙角处,距地面1.05 m。实测点A和实测点B用于采集室内CO2体积分数的变化情况。另外一个仪器布置在外窗窗沿上,监测室外CO2体积分数和温度,根据此仪器监测数值定义模拟分析中室外环境CO2体积分数,此数值在监测期间变化很小,室外环境CO2体积分数取400×10-6。

会议室CO2体积分数的变化见图4。图4中所显示的模拟值为CFD0-CONTAM耦合下室内平均CO2体积分数。从图4可以看出,在进行会议期间,会议室内CO2体积分数实测值逐渐升高,在8:40时,室内CO2体积分数实测值可以达到1 400×10-6～1 500×10-6,这时参会者的注意力容易下降,到9:00时达到峰值1 817×10-6,超过标准限值817×10-6,这时参会者的工作效率将显著下降并伴有困倦状态。在会议结束后将门窗打开,30 min后室内CO2体积分数实测值降到接近环境体积分数。

图4 会议室CO2体积分数变化

由图4发现,实测点A、实测点B的CO2体积分数与模拟值的变化趋势相同,由此说明,CFD0-CONTAM耦合模拟的结果具有较高的准确性。实测点A的CO2体积分数高于实测点B,是由于参会者坐的位置较集中导致。模拟值低于实测值,考虑可能是人员CO2产生速率设置有偏差,且模拟值为空间内平均值等原因。

3.3 不同季节下门窗开关状态对会议室CO2体积分数分布影响

探究不同季节和门窗开关状态条件下会议室CO2体积分数分布情况。会议室内无机械通风,在开会期间开启门窗更符合实际。过渡季气象参数同前,夏季室外温度为35 ℃,会议室温度为25 ℃;冬季室外温度为-30 ℃,室内温度同过渡季一样,为18 ℃。室内外温度在模拟期间保持不变。所有季节风速都设为3 m/s,风向为SE。各工况基本信息见表2。

表2 模拟工况条件

工况1若干典型时刻会议室CO2体积分数分布见图5,在工况1下,过渡季会议室门窗全开启时,20名参会者在会议室进行1 h会议。从z=1.05 m截面CO2体积分数分布看,在8:10时刻,参会者周围CO2体积分数较高,室内局部CO2体积分数达到近3 500×10-6,此时参会者会明显感觉疲惫困倦,严重影响工作效率。基于过渡季房间空气流动方向从窗户到门,故靠近门的位置CO2体积分数高于靠窗侧。在9:00会议结束时,参会人员周围CO2较均匀分布。在会议结束10 min后,室内CO2体积分数普遍下降至1 000×10-6以下,会议结束30 min后,室内CO2体积分数已降至环境CO2体积分数。从y=2.05 m截面CO2体积分数分布看,受室内空气流动不均匀影响,在8:10时,人员附近CO2体积分数较高,且室内下部区域CO2体积分数高于上部区域。随着会议进行,室内下部空间CO2体积分数逐渐变高,可达到2 000×10-6。在9:30时,室内CO2已扩散至走廊和其他区域,室内CO2体积分数降至环境体积分数。

图5 工况1若干典型时刻会议室CO2体积分数分布(软件截图)

工况2、3、4若干典型时刻会议室CO2体积分数分布见图6。工况2下会议室门窗均处于关闭状态,室内空气流速较低。会议期间,在z=1.05 m截面上,工况2同工况1下CO2的扩散趋势相似,在参会者周围CO2体积分数较高。但与工况1下CO2扩散范围不同,会议室门窗关闭状态下CO2体积分数扩散范围更广。

分析过渡季(工况1)、夏季(工况3)、冬季(工况4)3个不同气候条件下会议室CO2体积分数分布。3个工况下会议室门窗均处于开启状态。通过空气流动分析可知,在冬季和过渡季时空气流动方向是从窗户到门,夏季的空气流动方向则是从门向窗。夏季时,z=1.05 m截面CO2体积分数显著高于过渡季,且夏季CO2体积分数衰减时间长于过渡季,故在夏季时应该重点关注室内的通风问题,建议采取机械通风措施。冬季时,由于热压作用较强,在z=1.05 m截面,CO2体积分数均在1 200×10-6以下,会议结束后,CO2体积分数衰减较快,在会议结束10 min后可降至环境体积分数。

图6 工况2、3、4若干典型时刻会议室CO2体积分数分布(软件截图)

3.4 门窗开启比例对会议室CO2体积分数分布影响

从上述分析可知,室外气象条件是影响室内CO2体积分数的重要因素,处于夏季的工况3较工况1和工况4,室内CO2体积分数较高,且衰减时间较长。建筑物第3层工作人员较多,门窗开启频繁,因此下文针对过渡季和夏季若干工况进行研究,探究建筑第3层门窗开启比例不同对会议室CO2体积分数分布的影响。结合哈尔滨地区气象条件及使用习惯,仅考虑建筑第3层门窗开启比例为50%或80%。

会议室门窗空气流通路径参数不变,将建筑第3层所有房间的门窗数量进行统计,共110个外窗(与室外空气连通),4个内窗(不与室外空气连通)和96个门。按照仅开窗、仅开门、既开门又开窗3种方式对建筑第3层所有房间的空气流通路径进行整体调节,门窗开启的部位由建筑第3层“T”形的3个边按比例进行选取。会议室内仍进行1 h会议,选取的工况见表2。

工况5～8若干典型时刻会议室CO2体积分数分布见图7。工况5和工况6在会议期间CO2体积分数变化趋势与工况1相似。从z=1.05 m截面的模拟结果看,工况5在9:10时,CO2体积分数衰减较工况1更慢,在会议结束30 min后也未恢复至环境体积分数。工况6在9:10时,CO2体积分数比工况5稍降低,但区别不明显。

图7 工况5～8若干典型时刻会议室CO2体积分数分布(软件截图)

在建筑第3层所有房间门均关闭的情况下,随着建筑第3层窗开启比例增大,从z=1.05 m截面看,会议室CO2体积分数逐渐变小且衰减速度较快,在9:30时,工况8条件下会议室CO2体积分数可恢复至环境体积分数。

工况9～12若干典型时刻会议室CO2体积分数分布见图8。由图7和图8可知,建筑第3层门窗开启比例均为50%和均为80%时,从z=1.05 m截面看,9:00时室内高CO2体积分数的范围比工况1更小。根据工况5～10的规律,建筑第3层除会议室外的其余房间门窗开启会影响会议室CO2体积分数的变化,其余房间门窗同时开启对会议室CO2体积分数的影响最大。因此,再对工况3进行分析。

在z=1.05 m截面,工况3与工况11和工况12相比,CO2体积分数较高。根据模拟数据,工况3实测点A CO2体积分数约为1 200×10-6,实测点B CO2体积分数约为800×10-6。工况11和工况12在z=1.05 m截面上CO2体积分数低于1 200×10-6的范围更大。从工况9、10来看,当建筑第3层门窗开启比例为80%时,室内高CO2体积分数的范围比建筑第3层门窗开启比例为50%更小。但对于夏季,空气流动方向与过渡季不同,是从室外流向室内,因此工况11、12相比,室内CO2体积分数变化幅度不明显。

图8 工况9～12若干典型时刻会议室CO2体积分数分布(软件截图)

选取会议室内D点(2.4 m,1 m,1.1 m)作为分析点,该点处于参会者周围,CO2体积分数变化较明显。不同工况典型时刻下D点CO2体积分数变化见图9。可以发现在会议结束10 min内,仅开门工况(工况5、6)变化速率小于仅开窗工况(工况7、8),说明了仅将建筑第3层某些门打开对会议室内CO2体积分数影响效果小于某些开窗工况。在过渡季开门开窗(工况9、10)下,局部室内CO2体积分数低于其余工况,说明本建筑过渡季同层其余房间开门开窗可以保证内区会议室内CO2体积分数处于较低范围。但夏季开门开窗时(工况11、12),CO2体积分数仍然较高,仅依靠自然通风不能使CO2体积分数降到较低水平,必要时应采取机械通风措施,才能够保证室内人员的良好工作状态。

图9 不同工况典型时刻下D点CO2体积分数变化

4 结论

① 模拟结果与实测结果具有一致性,CFD0-CONTAM耦合模型可靠。如提高人员CO2产生速率、空气泄漏特征的准确性,那么耦合模型准确性将进一步提高。

② 夏季建筑外窗关闭条件下,建筑物整体空气流通较弱,内区会议室容易出现CO2体积分数高的情况。因此,在必要时,应该对建筑内区的会议室采取机械通风的措施。

③ 不同季节下,建筑物热压、风压作用特征不同,对会议室CO2体积分数水平影响较大。建筑物其他房间门窗关闭情况下,冬季和过渡季相比,会议室CO2体积分数低且衰减快。

④ 仅将建筑第3层窗开启对会议室CO2体积分数的影响大于仅将建筑第3层门开启。故建筑外围护结构上空气流通面积比内围护结构上空气流通面积对会议室空气流通影响大,进而对会议室CO2体积分数影响较大。